基于双阀板式的新型井下安全阀设计

焦　侃 张　磊 胡志新　

基于双阀板式的新型井下安全阀设计

焦侃1,2张磊1,2胡志新1,2

（1.长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064；2.长安大学前沿装备研究所，陕西 西安 710064）

目前，国内井下安全阀的研制还处于初级阶段，存在结构复杂、密封性差、可靠性低等问题。文章在分析研究国产单阀板井下安全阀所存在的问题基础之上，充分借鉴现有井下安全阀先进设计经验，提出了一种新型双阀板式井下安全阀。该安全阀采用双阀板式结构，省去了传统井下安全阀复杂的永久锁定机构，简化了安全阀的结构，提高了其工作效率。最后对安全阀的阀板结构进行改进设计，运用有限元分析软件ABAQUS对在冲击载荷作用下的阀板进行仿真分析。结果表明，这种结构可以满足生产任务要求。

井下安全阀；双阀板式；有限元分析；冲击载荷

引言

随着经济的快速发展，我国对石油和天然气的需求日益增大。随着我国油田勘探和开发范围的日益增大，向东部深海地区进军已成为必然的趋势[1]。开发海洋区域的油气资源对缓解我国能源短缺的局势具有重要的意义。但在海洋区域采油过程中常因多种因素导致井喷事故，造成附近海域的污染和人员的伤亡。目前，多国对于海上石油天然气的开采都有条例明确规定[2]，例如在海上油气开采过程中，自喷井都必须安装井下安全阀以保证生产安全。对于陆上的一些高压自喷井，也要求在进行油气的开采作业前必须装有井下安全阀。油气井安装井下安全阀系统后，一旦采油平台出现重大灾害，油气井就能自动关闭，从而避免严重的人员伤亡和海洋污染等恶性事件发生。

井下安全阀按照控制的方式不同可分为地面控制式和井下控制式，早期的井下安全阀多为井下控制式，这种安全阀的关闭是凭借节流管的上下流速差被动完成的[3]，由于节流管的存在而降低了油气开采效率，因此现在的井下安全阀多为地面控制式。按照回收方式的不同，井下安全阀又可分为油管回收式和钢丝绳回收式。一级井下安全阀多为油管回收式，其连接采油管下入井下。二级安全阀多为钢丝绳回收式，当一级井下安全阀失效后由钢丝绳下入管内二级安全阀代替一级阀工作[4]。本文所研制的双阀板式安全阀为地面控制油管回收式井下安全阀。

对于井下安全阀的研制，国外起步较早[5]，四大石油服务公司威德福（Weatherford）、斯伦贝谢（Schlumberger）、贝克休斯（Baker Hughes）、哈里伯顿（Halliburton）都研制了多种适合各种不同环境下井下安全阀。威德福所生产的井下安全阀有两个系列即Opiti-max TM与Opitimax[6]，特点是可根据不同的油气井配置合适的密封阀板。此外威德福公司也对阀板与阀座的密封方式进行了改进，设计并使用等高平面式薄形阀板的密封的方式，有效提高了阀板与阀座的密封性和稳定性。斯伦贝谢公词所生产的井下安全阀在设计过程中注重油井中腐蚀介质对井下安全阀的影响，其TRM、Slim Tech[7]系列可适应高温高压且腐蚀严重的油气井。哈利伯顿公司所设计的SPTM[8]系列井下安全阀设计了阻拦栅格结构，利用该结构能使安全阀临时打开，方便了在安全阀之下进行井下作业，增加了作业时的安全性。贝克休斯公司推出的REACHTM系列井下安全阀适用于超深高温高压油气井，该系列井下安全阀对阀身连接处的密封结构上做出改进，采用梯形金属螺纹密封方式，因此其预设深度最大可达6000米[9]。

国内井下安全阀起步发展晚，自主研发井下安全阀的公司不多，主要依赖于进口或与四大石油公司合作联合生产开发井下安全阀。目前国内比较有代表性的井下安全阀有胜利油田有限公司采油工艺研究院设计的SC—120A型井下安全阀[10]和浙江惟其信石油机械有限公司设计的TSV系列井下安全阀[11]，前者采用了金属非金属双重密封的阀板密封方式，后者在安全阀内腔设计使用密封圈加金属的结构，提高了安全阀的整体密封性能。为实现高压井下安全阀国产化，中石化石油工程技术研究院设计了一款适用于高压油气井的井下安全阀[12]，该安全阀采用拟合曲面的方式设计出阀板的密封接触面。

通过对国内外地面控制油管回收式井下安全阀的研究[13]，传统的安全阀在阀板密封失效后只能通过下入井下工具强行撑起并锁死阀板，让安全阀永久地开启，然后下入钢丝绳回收式的二级安全阀，并将原有液控管线与二级安全阀的液压腔相连接。因二级安全阀为钢丝绳回收式安全阀，在实际操作中，内部密封套管可能会因钢丝绳的缘故而被撞毁，导致油气的泄露，这种现象的发生容易导致井下安全阀失去其原有作用。针对上述问题，本文提出并设计了一种新型双板阀式井下安全阀，该安全阀一级阀板失效后可切换为二级阀板，工作效率高，结构简单，且可靠性及安全性高。

1 井下安全阀的分类

目前国内外的井下安全阀有多种分类方式，具体分类方式如表1所示。

续表1

阀板开启辅助方式油管内加压式自平衡机构式油管内加压式：由地面向井中注入压力油来平衡阀板上下压差；自平衡机构：通过自平衡装置平衡阀板上下压差

其中，有两大类井下安全阀应用最为普遍。一类为井下控制式安全阀（SSCSV），对于这种类型的井下安全阀，当井下有十分剧烈的流体流动时，可以利用流体流动所形成的压力差来关闭井下安全阀[14]。这种井下安全阀的启闭方式是根据设定的流量阈值实现自动启闭，无需地面控制。

另一类是地面控制式井下安全阀（SCSSV），这种井下安全阀的开启闭合是由位于地面的井下安全阀液压控制系统控制的。而对于地面控制井下安全阀其之下又可以分为两类[15]，一类是油管回收式的，该类井下安全阀是通过油管下入和回收的。而另一类是钢丝绳回收式，这种井下安全阀是由地面通过钢丝绳带动下入到井下的，使其下入到油管管内设定位置，一般是位于油管回收式井下安全阀之内的。

2 井下安全阀系统的总体设计

2.1 井下安全阀技术参数

本文所设计的井下安全阀设计都按照API标准与ISO标准设计。设计特点为：采用双阀板式设计与剪钉挡圈结构相配合，省去了安全阀的永久锁定机构，也便于在一级阀板密封时候切换为二级阀板工作，提高了安全阀的使用效率与安全性；在阀座处设计自平衡机构，减小阀板打开时所需的压力，也减少了平衡阀板上下压差的响应时间。其具体技术参数如下所示。

适用套管直径：159.8 mm～161.8 mm；

安全阀长度：1298 mm；

最大外径：138 mm；

最小内径：68 mm；

安全阀工作压力：40 MPa；

上阀板打开压力：15 MPa；

接通中心管所需升压：15 MPa；

下阀板打开压力：20 MPa；

安装深度：500 m；

额定温度范围：-15℃～150℃。

2.2 井下安全阀地面控制系统

本文所设计的井下安全阀总体系统由井下安全阀、地面控制系统组成。地面控制系统[16]包括温度压力等传感器与微机控制器、液压泵、电磁换向阀、蓄能器、先导式溢流阀等组成部分。通过油管将井下安全阀输送到油管设定的深度，同时在井下安全阀上接头处有一连接口，接口上连接着一条直径较小的液压控制管线，该管线上接地面控制系统，这样地面控制系统就可以通过控制这条液压控制管线中的液压力来控制井下安全阀的启闭[17]。

当油气井进行正常生产作业时，地面控制系统控制液压泵运转来向液控管线中注入并维持一定压力的液压油，从而使井下安全阀的液压腔中的液压油达到设定压力，在液压力的作用下推动活塞杆带动中心管向下移动，并在中心管下移的过程中压缩弹簧，当中心管向下移动一定的距离后可顶起阀板，这时井下安全阀处于开启状态，油管中的流体可以自由流动，生产活动正常进行。

若出现一些难以预测的非正常情况，如地震、海啸、火灾等重大灾害或油气井的井口安全系统失效等非自然灾害时，此时井口的各种传感器就把井口的温度值与压力值通关传感器转换为电信号传给微机处理器[18]。通过微机处理器对液压泵下达停止工作的指令，这样就可以马上降低液控管线中的液压力。在液压腔没有足够液压力的情况下，在弹簧回弹推力的作用下活塞杆与中心管将会被推回到初始位置。在扭簧的扭转力作用下阀板也将自动关闭，阀板与阀座之间将形成密封的封闭区域阻断井下流体向井口流动的趋势。此时井下安全阀处于关闭状态，油管的采油通道会被阻断住使油管停止生产作业，避免造成井喷等重大事故。

3 双阀板式井下安全阀的结构及工作原理

3.1 双阀板式井下安全阀的结构

了解了国内外有关井下安全阀的最新研究成果[19-21]，并系统的分析了各种井下安全阀结构的优劣之处，对国内现有井下安全阀结构上存在的一些通病进行了改进，最终确定了本文所设计的井下安全阀的结构。该井下安全阀主要由驱动部分、执行部分以及辅助部分组成，结构如图1所示。

（1）驱动总成：驱动总成主要由液压缸、活塞杆、中心管等组成，驱动部分的主要功能是推动中心管。

（2）执行总成：执行总成即安全阀的执行元件，主要由上下阀座、过度接头、双扭簧、上下阀板组成，其主要功能是在驱动部分的作用下，执行井下安全阀的启闭动作。

（3）辅助总成：辅助总成主要由下阀座、自平衡装置组成。它的主要功能是在安全阀阀板关闭后想要重新打开时，平衡阀板上下工作腔的压力，使阀板容易打开。

本文所设计安全阀的为一种新型双级阀板式的地面控制油管回收式井下安全阀，当该井下安全阀的第一级阀板密封失效后，可以不用下入二级管内安全阀，简单地通过改变控制管线中的压力，就可以控制该安全阀第二级阀板的启用。通过油管将此井下安全阀送到井下预定的深度，同时在井下安全阀的上接头处连有液压控制管线，地面控制系统可以通过液压控制管线来控制井下安全阀的工作状态。

1-上接头；2-液压控制管线；3-液压控制管线接头；4-接头密封组件；5，6，12-密封圈；7-活塞杆；8-弹簧套；9，14-弹簧；10-中心管；11-上阀座；13-紧定螺钉；15-钢球；16-扭簧；17-销；18-上阀板；19，27-组合密封垫圈；20，26-过渡接头；21-剪钉；22-挡圈；23-下阀座；24-对接中心管；25-下阀板；28-下接头

在设计井下安全阀时，运用Solidworks的三维软件绘制井下安全阀的三维零件图并进行装配，如图2所示。

图2 井下安全阀三维结构图

3.2 双阀板式井下安全阀的工作原理

此安全阀具体由上下接头与油管相连接，通过油管使井下安全阀下入到油气井预先设定位置。上接头处开有两处对称的液压腔，腔内装有活塞杆用于推动中心管下行打开阀板。相较于一般常用的井下安全阀，该安全阀有上下两级阀板来控制井下安全阀的通断。正常工作情况下，下阀板由于对接中心管的作用使下阀板一直处于常开状态，地面控制系统控制液压管线中的压力为上阀板完全打开的设定压力，此时此安全阀上阀板、下阀板都处于打开状态。当出现紧急情况，地面控制系统控制液控管线中的液压力下降到上阀板完全关闭的压力值之下，在活塞杆和弹簧的共同作用下使中心管上移动来控制上阀板的闭合。

若由于启闭次数过多或其他原因导致上阀板与上阀座配合密封失效时，该安全阀可由下阀板来代替上阀板来控制安全阀的通断。此时可以通过地面液压控制系统控制液压控制管线内液压油的压力到达设定的剪钉剪断压力，中心管下行间断剪钉完成与对接中心管的连接。这时上阀板处于常开状态，下阀板代替上阀板工作。而一般井下安全阀在阀板密封失效时的处理方式是下入管内二级安全阀，这样不但操作繁琐，而且容易损坏安全阀。因此本文所设计的双阀板式井下安全阀不但可以简化安全阀的操作程序，而且还能提高安全阀的可靠性。

结合井下安全阀的实际工作环境，考虑到阀板关闭后上下面会形成较大的压力差使阀板不易打开，因此在上下阀座处都设计了压力自平衡机构[22]，如图3所示。在中心管打开阀板以前，将会先将平衡孔中的钢球下压，使阀板下部的油气通过钢球与阀座之间的间隙流入阀板上部，经过一段时间后使阀板上下压力差减小，这时中心管只需要克服阀板上的扭簧扭矩与少量的上下压力差就可以打开阀板。这种结构极大地减少了控制管线的压力，提高了安全阀的可靠性。此自平衡机构采用Φ5的钢球，中径为Φ4的不锈钢丝弹簧。

图3 压力自平衡机构

4 阀板的有限元分析

4.1 阀板的失效分析

在井下安全阀的失效损毁事故中[23,24]，多由阀板的密封失效或阀板被破坏所引起。由于阀板在打开关闭的过程中中心管与阀板的作用位置不断变化，且阀板也受到上下压差与扭簧的共同作用，目前对于阀板完整启闭过程的分析国内外还没有建立系统的理论模型[25]。但从阀板的失效破坏机理上，可以推断出阀板在启闭过程中最容易发生失效破坏。这是由于阀板在启闭过程中会与中心管或阀座产生较强的撞击[26]，在多次冲击载荷的作用下阀板会发生不可接受的应变造成密封失效。另一个常见因素是修井时工具的掉落，撞击阀板使其损坏[27]。

因此考虑到上述所分析的问题，对所设计的双阀板式井下安全阀的阀板进行了优化设计，如图4所示。并对阀板在关闭过程中与阀座的碰撞进行了仿真模拟，分析了阀板在碰撞过程中的应力应变。

图4 阀板的三维结构图

4.2 阀板的碰撞模型

考虑到阀板在关闭时与阀座的碰撞是瞬时完成的，并且一般情况下井口控制系统控制井下安全阀完成关闭的动作响应时间为0.5 s左右[28]，因此阀板与阀座碰撞是一个瞬时完成的动作，借助ABAQUS动态分析功能对阀板与阀座瞬时碰撞过程进行仿真分析。

假定分析碰撞过程的时间为9×10-5s，并简化阀座与阀板的碰撞模型如图5所示。为分析了瞬时碰撞过程中阀板所受应力与变形，在阀板与阀座接触地方进行了网格密划分。

图5 阀板与简化阀座的碰撞模型

4.3 阀板的碰撞结构分析

阀板材料选取30CrNiMo8，其质量密度为7800 kg/m3，杨氏模量为212 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为1050 MPa，抗剪模量为790 MPa。在仿真分析时，约束阀座底部的全部自由度，约束阀板三个方向上移动与两个方向上转动的自由度，使其只能在绕着转轴的方向上转动。最终碰撞模型的分析结果如图6与图7所示。

图6　阀板碰撞模型的应力云图

图7　碰撞模型的位移云图

从图6可以看出，在阀板与阀座的碰撞过程中，阀板的主要应力集中区域在与阀座直接接触的环形密封区，从仿真结果图可看出最大应力为441 MPa，小于阀板的屈服强度满足强度要求。碰撞过程中最大位移区域出现在阀板中心部分，从图7可以看出碰撞过程中最大位移量为0.04565 mm。考虑到阀板转轴处为间隙配合，在与阀座碰撞过程中难免会出现配合错位，这回导致阀板与阀座的碰撞区域变为阀板内侧凸起部位，因此可使该凸起部做出一定的锥度以改善阀板的碰撞效果。

5 结论

从国内外井下安全阀结构的改进方向上来看，未来井下安全阀的发展趋势必然向着结构简单可靠，利用率高的方向发展。本文结合国内外井下安全阀研究现状，针对传统井下安全阀阀板密封失效后补救工作困难问题，设计了双阀板式井下安全阀。该井下安全阀简化了传统井下安全阀的永久锁定装置，并改单层阀板式结构为双层阀板式结构，提高了井下安全阀的利用率，降低了操作的复杂性，增加了可靠性。与传统井下安全阀相比，该双阀板式井下安全阀若用于生产中，可以提高安全阀的利用率，该创新设计为国内井下安全阀的研制提供了一个新的方向。

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Design of a New Subsurface Safety Valve Based on Double Valve Plate Type

At present, the development of subsurface safety valve in China is still in the initial stage, and it has many problems such as complex structure, poor sealing performance and low reliability. In this paper, a new type of double-valve plate type subsurface safety valve is proposed after analyzing the problems existing in domestic subsurface safety valve and drawing on the advanced design experience of existing subsurface safety valve. This safety valve adopts double valve plate structure, which eliminates the complicated permanent locking mechanism of traditional subsurface safety valve, simplifies the safety valve structure and improves its working efficiency. Finally, the design of the valve plate structure is improved, and the finite element analysis software ABAQUS is used to simulate the valve plate under the impact load. The results show that this structure can meet the requirements of production tasks.

Subsurface safety valve; double valve plate type; finite element analysis; impact load

TE92

A

1008-1151(2022)03-0019-05

2021-12-11

焦侃（1997－），男，陕西渭南人，长安大学工程机械学院在读硕士研究生，研究方向为机械设备的结构设计与自动化控系统的设计。

胡志新（1965－），男，陕西西安人，长安大学工程机械学院、长安大学前沿装备研究所副教授，博士，研究方向为机械设备的结构设计与自动化控制系统的设计。